Проблемы энергетики

 

Введение

С момента своего возникновения человечеству требовалась энергия. На заре этой эпохи потребности в ней были весьма невелики и ограничивались кострами для приготовления пищи.     Однако, параллельно своему взрослению человек увеличивал свои аппетиты,  этому способствовали: развитие ремесел, эпоха индустриального прорыва. Но особняком стоит XX век, когда развитие промышленности и следовательно потребность в энергии возросли многократно.  Человек стал активно эксплуатировать свою планету: рылись огромные угольные котлованы, бурились много- километровые нефтяные скважины. Но стремительный  промышленный рывок вперед  имел не только положительную сторону, но и ряд негативных аспектов, которые изменили сам облик нашей планеты: огромный вред наносится флоре и фауне посредством попадания нефти в почву, загрязнении океанов в результате транспортировки, выброс отравляющих веществ в атмосферу.  Например в далеком 1993 году только благодаря  выхлопным газам, выбрасываемых автомобилями, в атмосферу попало 15 миллионов тонн оксида углерода,5, 5 тысяч тонн высокотоксичных свинцовых соединений и 3, 5 миллиона тонн углеводорода. И число автомобилей продолжает стремительно расти на 40 миллионов в год.

 

 Именно высокая опасность  уничтожения человечества при  дальнейшем хищническом  использовании  традиционных источников энергии  в совокупности с  их будущим  дефицитом побудила  человечества  начать  поиски новых источников  энергии. В настоящее время человечество  продвинулось довольно далеко  в этом вопросе, но по разным  причинам замена традиционных  источников энергии альтернативными маловероятна, и в ходе работы мы попытаемся выяснить эти причины.

 

 

1. Проблемы  энергетики.

Развитие человечества можно характеризовать через энергетическую, экологическую и экономическую составляющие.  Главным компонентом из этих трех является энергетика, она определяющая и для экономики и для экологии. Потенциал любого государства так же как и состояние  окружающей среды находятся в прямой зависимости от нее. Энергетика-главный загрязнитель в электоромагнитном, радиомагнитном и тепловом аспектах. Именно от решения энергетических проблем будет зависеть и решение проблем экологических.

   Существенное замедление  темпов производства энергии  в ближайшие годы маловероятно, вот почему так важно получить  ответы на вопросы:

-как различные виды  энергетики влияют на биосферу, и каково будет их соотношение  в общем энергетическом балансе  в ближайшие годы.

-Можно ли уменьшить  негативное влияние современных  видов энергетики на окружающую  среду.

-каковы возможности альтернативных  источников энергии в плане  производства энергии.

   Энергия заключенная в органическом топливе используется в  виде тепловой и электрической, но оба способа подразумевают сжигание этого самого топлива и проникновение продуктов горения в атмосферу. Таки выясним последствия от получения энергии современными способами.

 

 

1.1.Атомная энергетика.

  Энергия-основа человеческой  цивилизации, без которой невозможны  ни работа лампочки, ни полеты  на другие планеты.

  Сегодня атомная  энергия используется во многих  сферах экономики,  многие подводные  лодки имеют атомный реактор  на борту.  Мирный атом поставляет  электричество в дома миллионов  жителей планеты.

  Теплоэнергетические  станции способствуют уничтожению  огромных площадей с плодородными  землями, ведь для таких станций  нужно огромное  количество угля, сжигание которого провоцирует выброс десятков миллионов тонн SO2, порядка 220 миллионов тонн золы и 60.

  Атомные электростанции-одна из основ современной энергетики. АЭС способны свести ущерб наносимый им ОС к минимуму. Однако в результате их деятельности образуются радиоактивные отходы, потенциально крайне опасные для любого живого организма.

  В конце XX века атомные станции давали 16 % от общего числа электроэнергии, располагались в 31 стране, особенной важна их роль была в Болгарии, Бельгии, Финляндии, Швеции, Франции, эти страны производили до половины своего электричества на атомных станциях. 

 Помимо своей  пользы для людей, мирный атом  несет в себе опасность, способную  привести к катастрофе. Более 200 подобных  инцидентов тому яркий пример.

 Даже сегодня  человечества делится на 2 лагеря: сторонники и противники АЭС. Разнятся  оценки безопасности  и экономической эффективности  от использования данного вида  энергии. Кроме того, велико опасение, что мирный атом может быть использован и в милитаристких целях.

Рис. Атомная станция в Курске.

1.2 Нефть.

Оценочные запасы нефти равны 140 миллиардам тонн, при нынешнем уровне добычи этих запасов хватит на 40 лет.  Однако эти цифры дают нам представление лишь о доказанных запасах, практически не учтены огромные запасы океанического шельфа и огромных территорий на русском севере. Таким образам складывается ситуация, когда несмотря на растущее потребление углеводородов, их запасы за счет активной разведки не становятся меньше, а наоборот растут. Так же совершенствуются способы добычи, человечеству становится доступна та нефть, которую невозможно было извлечь раньше. Таким образом истерия о скором нефтяном конце света представляет собой «мыльный пузырь»,  и таким образом человечество имеет фору значительно большую, чем 40-50 лет.

 Наиболее богатыми  нефтью считаются страны Персидского  залива, здесь находятся 65 % доказанных  запасов, также значительными запасами  обладают Венесуэла, Россия и  США.  И если большинство нефтяных  держав строят свою экономику  на основе экспорта нефти, то  США свою нефть консервируют  и берегут на черный день.

 

Рисунок 2. Нефтевышка «Пердиро».

 

1.3 Проблемы развития.

 Развитие индустрии маловероятно  без перманентно растущего производства  различных видов энергии.

 

Запасы металлов, энергоресурсов необходимых  человечеству для достаточного получения энергии огромен. Особенно остро стоит вопрос сокращения запасов органических энергоресурсов.

Мировые запасы энергоресурсов приблизительно равны 355 Q, где Q - единица тепловой энергии, равная Q=2,521017 ккал = 36109 тонн условного топлива /т.у. т./, топлива с калорийностью 7000 ккал/кг, так что запасы энергоресурсов составляют 12,81012 т.у. т.

Из этого количества примерно одна треть (что составляет ~ 4,31012 т.у.т.) может быть извлечена при помощи современной техники при умеренной стоимости топливо добычи. Однако, современные потребности в энергоносителях составляют 1,11010 т.у.т./год и растут со скоростью 3-4% в

Итак, органические ископаемые могут быть исчерпаны в ближайшие годы.

И еще один важный момент, при сжигании органического топлива ежегодно образуется до 4500 миллионов тонн сернистого газа и окислов азота, что равно 70 килограммам вредных веществ на каждого землянина.

Использование энергии атомного ядра и развитие атомной энергетики частично снимает остроту этой проблемы. Действительно, открытие деления тяжелых ядер при захвате нейтронов, сделавшее век атомным, стало существенным складом к запасам энергетического ископаемого топлива. Запасы урана в земной коре оцениваются огромной цифрой - 1014 тонн. Однако основная масса этого богатства находится в рассеянном состоянии - в гранитах, базальтах. В водах мирового океана количество урана достигает 4109 тонн. В тоже время богатых месторождений урана, где добыча была бы недорога, известно сравнительно немного. Поэтому массу ресурсов урана, которую можно добыть при современной технологии и при умеренных ценах, оценивают в 108 тонн. Ежегодные потребности в уране составляют, по современным оценкам, 104 тонны естественного урана. Так что эти запасы позволяют, как сказал академик А.П.Александров, "убрать Дамоклов меч топливной недостаточности практически на неограниченное время"[4; стр.216].

 

Еще одна проблема современного индустриального общества – защита природы, сохранение чистоты атмосферы и гидросферы.

Беспокойства вызывает «парниковый эффект»,  возникающий из-за выбросов углекислого газа при сгорании органических видов топлива (нефть, уголь), и как следствие возможность глобального потепления на планете. Появились очень серьезные  проблемы связанные с чрезмерной загазованностью воздуха и «кислыми» дождями.

В то же время критикуемая атомная энергетика не отравляет атмосферу, ее использование могло бы помочь устранить возможность возникновения экологических последствий от парникового эффекта.

 Так же плюсами атомной  энергетики является тот факт, что несмотря на опасные радиоактивные отходы, их количество совсем невелико и при правильной транспортировки и хранении они не представляют опасности для земных обитателей.

 

2. Альтернативные источники энергии.

Подводя итог под выше написанному, мы может сделать вывод о необходимости избавления  в первую  от  слишком опасной тепловой энергии, а уже потом задаться вопросом о полном отказе и от атомной энергии. Но тут возникает закономерный  вопросик  о том, как заменить канувшие в лету источники энергии. Появляется необходимость рассмотреть альтернативные источники, такие как энергия Солнца, ветра, приливов внутреннего тепла планеты. Выясним  насколько возможно их внедрение.

 

2.1 Основные причины перехода  к АИЭ.

Причины перехода к АИЭ:

-Экологическая причина: кризис в который человечество проваливается все глубже и глубже день ото дня.

-Политические причины: страна, которая первой ликвидирует свою зависимость от углеводородов, будет политически менее уязвима.

-Социальный: снижение уровня онкологических заболеваний в результате ликвидации АЭС и ГРЭС.

2.2 Энергия солнца.

Солнечная энергия-экологически чистый источник, который пока используется в очень ограниченном  объеме, по причине низкого КПД солнечных батарей и их дороговизны. Энергия Солнца настолько велика, что могла бы полностью покрыть все энергетические  нужды жителей Земли. Для нужд обогрева помещений можно использовать солнечные батареи, которые можно разместить на крышах домов, даже с имеющимися сегодня технологиями можно было бы заменить традиционные источники энергии если не полностью, то хотя бы частично. Для нужд предприятий можно использовать огромные пространств пустынь, которые можно заставить огромным количеством солнечных батарей. Таким образом  Солнце-источник неисчерпаемой энергии, на приручение которой должны быть брошены лучшие человеческие умы.

Рис 3. Солнечная батарея.

2.3 Ветер.

Всемирная метеорологическая организация оценивает запасы энергии ветра в 170 трлн кВт ч. Ветроустановки внедрены относительно широко , и зачастую частные установки обеспечивают энергией целую ферму.

Энергия ветра имеет несколько недостатков, которые замедляют распространение данного источника энергии: ветер дует с разной силой и неравномерно распределяется по поверхности планеты, поэтому необходимы ветровые установки с очень высоким КПД. Так же среди недостатков это отражение лопастями радиоволн, которые способны дезориентировать птиц и животных и ломкость лопастей при чрезмерно сильном ветре. Но несмотря  на недостатки, этот вид энергии так же очень перспективен, и может стать заменой нынешним источниками энергии, таким как нефть и уголь.

Разработаны циклонные электростанции мощностью до 100000 киловатт, внутри которых воздух поднимается  на высоту до 15 метров и смешивается с воздушным потоком, создавая «циклон», который вращает турбину. Это крайне эффективные установки, КПД которых превышает КПД солнечных батарей.

Положительный пример по использованию энергии ветра показали Нидерланды и Швеция, которая приняла решение на протяжении 90-х годов построить и разместить в наиболее удобных местах 54 тысячи высокоэффективных энергоустановок. В мире сейчас работает более 30 тысяч ветроустановок разной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии.

Передовыми странами в плане использования энергии ветра являются Нидерланды и которые приняли решение о строительстве 54000 электроустановок, в то время как во всем мире их на данный момент всего 30000.

Рис 4. Ветровые установки в Грузии.

 

2.5 Гидроэнергия.

Гидроэнергостанции-еще один экологически чистый источник энергии.  Сейчас большинство рек перегорожено платинами, дающими очень дешевую энергию. Однако это стало причиной урона для сельского хозяйства и природы: происходило подтопление огромных территорий. Этот минус отсутствовал на горных реках, но размещение платин там было делом непростым с инженерной точки зрения.

  В это время была  сформирована концепция мини-ГЭС, которые могут располагаться  на маленьких речках

. Поэтому современные крупные  ГЭС не являются действительно  экологически чистыми. Минусы ГЭС  породили идею “мини-ГЭС”, которые  могут располагаться на небольших  реках или даже ручьях, их электрогенераторы  будут работать при небольших  перепадах воды или движимые  лишь силой течения. Эти же  мини-ГЭС могут быть установлены  и на крупных реках с относительно  быстрым течением.

 

 

Детально разработаны центробежные и пропеллерные энергоблоки рукавных переносных гидроэлектростанций мощностью от 0.18 до 30 киловатт. При поточном производстве унифицированного гидротурбинного оборудования “мини-ГЭС” способны конкурировать с “макси” по себестоимости киловатт-часа. Несомненным плюсом является также возможность их установки даже в самых труднодоступных уголках страны: все оборудование можно перевезти на одной вьючной лошади, а установка или демонтаж занимает всего несколько часов.

Еще одной очень перспективной разработкой, не получившей пока широкого применения, является недавно созданная   геликоидная турбина Горлова (по имени ее создателя). Ее особенность заключается в том, что она не нуждается в сильном напоре и эффективно работает, используя кинетическую энергию водяного потока - реки, океанского течения или морского прилива. Это изобретение изменило привычное представление о гидроэнергостанции, мощность, которой ранее зависела только от силы напора воды, то есть от высоты плотины ГЭС.